Güneş yelkenleri, uzay araştırmalarındaki en zarif kavramlardan birini temsil eder: Güneş ışığının kendisini kullanma, uzay aracını herhangi bir yakıt olmadan kozmosta itmek için. Ancak bu ince, hafif devler, kuruluşlarından bu yana misyonları rahatsız eden inatçı bir mühendislik mücadelesiyle karşı karşıya; Güneş rüzgarına binerken kontrolü korumak.
Güneş yelkenleri, rüzgarın bir yelkenli geminin tuvalini doldurduğu gibi, güneşten foton yakalayarak çalışır. Bu ultra ince yansıtıcı tabakalar düzinelerce metreyi kaplayabilir ve sadece birkaç kilogram ağırlığında olabilir, bu da derin uzay görevleri için teorik olarak sınırsız iticiti sunar. Bununla birlikte, kitlelerine kıyasla muazzam boyutları bir kontrol problemi yaratır.
Çoğu uzay aracı, uzaydaki yönlerini değiştirmek için reaksiyon tekerlekleri olarak adlandırılan eğirme tekerlekleri kullanır. Onları bir uzay aracını herhangi bir yönde eğebilen jiroskoplar olarak düşünün. Ancak güneş yelkenleri o kadar büyüktür ve güneş ışığından o kadar karmaşık güçler yaşar ki, bu reaksiyon tekerlekleri hızla bunalmış, sınırlarına ulaşıncaya kadar daha hızlı ve daha hızlı döner ve artık işlev göremez, “doygunluk” olarak adlandırılır.
Bu olduğunda, uzay aracı kontrolü kaybederek enstrümanları doğru bir şekilde göstermeyi veya uygun yönelimi korumayı imkansız hale getirir. Lightsail 2 gibi önceki görevler, reaksiyon tekerleklerini sıfırlamak için manyetik tork çubuklarını kullanarak günlük “momentum dökümleri” gerektiriyordu ve operasyonel verimliliklerini sınırladı.
Yeni Güney Galler Üniversitesi’nden araştırmacılar, Japonya’nın çığır açan Ikaros Misyonundan esinlenen zarif bir çözüm önerdiler: yansıtma kontrol cihazları veya RCD’ler. Bunlar aslında bir anahtarın çevirmesi ile güneş ışığını yansıtma şeklini değiştirebilen elektronik aynalardır.
RCD’ler, dizüstü bilgisayar ekranlarındakine benzer şekilde sıvı kristallerle gömülü ince, esnek membranlardır. Elektrik uygulandığında, iki durum arasında geçiş yaparlar: son derece yansıtıcı (speküler) ve yaygın yansıtıcı (dağınık). Farklı yansıma modelleri güneş radyasyon basıncından farklı kuvvetler oluşturduğundan, stratejik olarak yerleştirilmiş RCD’ler uzay aracının tutumunu kontrol etmeye yardımcı olmak için hassas torklar üretebilir.
Araştırma ekibi, iki operasyonel mod arasında değişen akıllı bir kontrol stratejisi geliştirdi. Normal “toprak işaretleme” modunda uzay aracı, bilim gözlemleri yaparken reaksiyon tekerleklerini hassas işaret için kullanır. Reaksiyon tekerlekleri doygunluğa yaklaştığında, uzay aracı otomatik olarak “güneşe işaret eden” moduna geçer.
Güneş işaretleme modunda, güneş yelkeni doğrudan güneşle yüzleşerek RCD’lerin etkinliğini en üst düzeye çıkarır. Elektronik aynalar daha sonra çiftler halinde çalışır, bazıları son derece yansıtıcı, diğerleri yaygın olarak yansıtıcı, dönen reaksiyon tekerleklerini yavaşlatmak için gereken tam torkları üreten güneş basıncında kontrollü dengesizlikler yaratır.
Araştırmacılar, RCD’lerin reaksiyon tekerleği doygunluğunu başarılı bir şekilde önleyebileceğini gösteren araştırmacılar, yeryüzündeki güneş senkronize bir yörüngede Lightsail 2’ye benzer bir uzay aracı kullanan ayrıntılı bilgisayar simülasyonları yoluyla. RCD’ler olmadan, reaksiyon tekerlekleri sadece 48 saat içinde sınırlarına ulaştı. RCD’lerle, sistem bir haftadan fazla bir süredir sorunsuz çalıştı, momentum boşaltma seansları yaklaşık 5 saat sürdü ve kabaca iki günde bir meydana geldi.
RCD’ler, kademeli momentum birikimine karşı koymak için küçük ancak yeterli olan 7.4 mikro Newton metreye kadar tork üretebildiğini kanıtladı. Uzay aracı, 11 dakika içinde toprak işaretleme ve güneşe işaret eden modlar arasında geçiş yaparak kontrol sistemi arızalarını önlerken operasyonel verimliliği koruyabilir.
Belki de en önemlisi, RCD’ler Magnetorquers gibi geleneksel momentum yönetim araçlarının çalışamayacağı derin uzay görevleri için avantajlar sunar. Magnetorquers, Dünya’nın manyetik alanına güvenerek onları gezegenimizin yakınlarının ötesinde işe yaramaz hale getirir. Sadece güneş ışığı ile güçlendirilen RCD’ler, asteroitlere, diğer gezegenlere ve hatta yıldızlararası alanlara güneş yelken görevleri için hassas tutum kontrolü sağlayabilir.
Teknoloji ayrıca önerilen diğer çözümlere kıyasla mekanik basitlik sunmaktadır. Karmaşık gimbal sistemlerinden veya hareketli kütlelerin aksine, RCD’lerin hareketli parçaları yoktur ve uzay aracına minimum ağırlık ekler. Ikaros hakkındaki başarılı gösterileri, uzayın sert ortamında çalışabileceklerini kanıtlıyor.
Mevcut RCD sistemi, tam üç eksenli kontrol için ek sistemler gerektiren üç dönme ekseninden sadece ikisini kontrol edebilse de, araştırma güneş yelkenini daha güvenilir ve verimli hale getirmek için pratik bir yol göstermektedir. Yaklaşımın sadeliği – emir üzerindeki yansıtmasını değiştirebilecek açıkça akıllı boya – güneş yelkenlerini gelecekteki görevler için daha cazip hale getirebilir.
Uzay ajansları ve özel şirketler, hırslı derin uzay araştırmaları için sürdürülebilir, yakıtsız tahriklere giderek daha fazla baktıkça, RCD’ler güneş yelkenini zarif olduğu kadar güvenilir hale getirmek için önemli bir basamak taşını temsil ediyor. Bazen en sofistike çözümler de en güzel çözümdür.
